Đo độ ẩm sử dụng cảm biến điện dung

Đo độ ẩm sử dụng cảm biến điện dung

ĐỒ ÁN I BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ĐỒ ÁN I ĐỀ TÀI: Đo độ ẩm sử dụng cảm biến điện dung Nhóm Lớp: Kĩ thuật Điều khiển – Tự động hóa 01 –K57 Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Lan Hương Hà Nội 26/04/2015 ĐỒ ÁN I MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ĐỒ ÁN I I Giới thiệu đề tài: Thiết kế mạch đo hiển thị độ ẩm môi trường với dải đo từ 0% đến 90%, ngưỡng nhạy 5% Đo độ ẩm vấn đề quan trọng công nghiệp sống Hiểu tầm quan trọng này, nhóm em xin chọn đề tài “Thiết kế mạch đo hiển thị độ ẩm môi trường với dải đo từ 0% đến 90% , ngưỡng nhạy 5%” • Với kiến thức học môn vi xử lý với tìm tòi nghiên cứu, nhóm em cố gắng hoàn thành đồ án • Phạm vi đồ án I đo độ ẩm môi trường, dựa sở phát triển thành hệ thống đo độ ẩm lớn sử dụng công nghiệp đo độ ẩm trình công nghiệp • II Phương pháp thiết kế Giao tiếp máy tính Sơ đồ khối: Cảm biến Chuyển đổi điện dung thành tần số Vi điều khiển Hiển thị  Nguyên lý hoạt động  Khối cảm biến nhận độ ẩm từ môi trường chuyển thành điện dung vào khối chuyển điện dung thành tần số  Khối chuyển điện dung thành tần số chuyển đổi tín hiệu tần số đo từ cảm biến vào vi điều khiến  Vi điều khiển nhận liệu từ khối chuyển điện dung thành tần số, xử lý liệu đưa khối hiển thị để hiển thị độ ẩm môi trường  Khối hiển thị dùng phương pháp quét led để hiển thị độ ẩm môi trường led ĐỒ ÁN I Nguyên lý linh kiện sử dụng cho khối 2.1 Khối cảm biến: Sử dụng cảm biến độ ẩm HS1101 Cảm biến HS1101 cảm biến độ ẩm với xác độ ẩm 2%RH Cảm biến tụ biến dung theo độ ẩm, giá trị thay đổi theo độ ẩm Mạch theo kèm thường họ IC555 để chuyển đổi từ điện dung sang tần số Hình 2.1: Hình ảnh HS1101 2.2 Khối chuyển đổi điện dung thành tần số: Sử dụng IC NE555 • NE555 IC dùng để tạo xung vuông Hình 2.2a: Hình ảnh NE555 • Nó cung cấp cho nhà thiết kế mạch điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định mạch tổ hợp cho ứng dụng cho đơn ổn không ổn định ĐỒ ÁN I Theo kiểu đóng gói D, FE NE555 gồm có chân Điện áp đầu vào từ 4.5V-16V, dòng tiêu thụ nhỏ 15mA, công suất tiêu thụ max loại chân cắm (Dip): 600mW NE555 dùng để tạo xung vuông, điều chế độ rộng xung, điều chế vị trí xung Trong phạm vi đồ án này, dùng để tạo xung vuông • Sơ đồ chân NE555: Hình 2.2b: Sơ đồ chân NE555 • Sơ đồ mắc cảm biến HS1101 với NE555 sau: Hình 2.2c: Sơ đồ mắc cảm biến HS1101 với NE555 ĐỒ ÁN I • Công thức tính tần số ngõ NE555: Trong : F tần số ngõ NE555, C@%RH điện dung theo độ ẩm • Ta có công thức liên hệ độ ẩm điện dung: C ( pf ) = C @ 55% × (1.25 × 10−7 ) × RH − 1.36 × 10−5 × RH + 2.19 × 10 −3 RH + 9.010−1 C@55% lấy làm giá trị tham chiếu, theo datasheet nhiệt độ phòng C@55% = 180pF 2.3 Vi điều khiển: Sử dụng vi điều khiển AT89C52 ĐỒ ÁN I Hình 2.3a: Sơ đồ bố trí chân 8052 Trong 40 chân có 32 chân danh cho cổng P0, P1, P2 P3 với cổng có chân Các chân lại dành cho nguồn Vcc, đất GND, chân dao động XTAL1, XTAL2, chân Reset RST, chân cho phép cất chương trình PSEN  Chân VCC • Chân số 40 VCC, có chức cấp điện áp nguồn cho chíp Nguồn điện áp +5V  Chân GND • Chân số 20 GND, nối với đất  Chân XTAL1 XTAL2 • 8051 có dao động chíp yêu cầu có xung đồng hồ để chạy Một dao động thạch anh nối tới chân đầu vào XTAL1 (chân 19) XTAL2 (chân 18) Bộ dao động thạch anh nối tới XTAL1 XTAL2 cần hai tụ gốm giá trị khoảng 30pF Một phía tụ điện nối xuống đất  Chân RST: • RST chân số - Reset Nó chân đầu vào có mức tích cực cao (bình thường mức thấp) Khi cấp xung cao tới chân vi điều khiển Reset kết thúc hoạt động Điều thường coi tái bật nguồn Khi kích hoạt tái bật nguồn làm giá trị ghi ĐỒ ÁN I Hình 2.3b: Sơ đồ mạch Reset  Chân EA • EA có nghĩa truy cập (External Access): chân số 31 vỏ kiểu DIP Nó chân đầu vào phải nối với Vcc GND Hay nói cách khác không để hở  Chân PSEN • PSEN chân đầu cho phép cất chương trình (Program Store Enable) hệ thống Trên vi điều khiển 8031, chương trình cất nhớ ROM chân nối tới chân OE ROM  Chân ALE • Chân cho phép chốt địa ALE chân đầu tích cực cao Khi nối 8031 tới nhớ cổng P0 dùng để trao đổi địa liệu Hay nói cách khác 8031 dồn địa liệu qua cổng P0 để tiết kiệm số chân Chân ALE sử dụng để phân kênh địa liệu  Cổng P0 • Cổng P0 chiếm tất chân (từ chân 32 đến 39) Nó dùng cổng đầu ra, để sử dụng chân cổng P0 vừa làm đầu vừa làm đầu vào chân phải nối tới điện trở treo bên ĐỒ ÁN I Hình 2.3c: Sơ đồ kết nối cổng P0 • Cổng P0 đầu vào: Với điện trở nối tới cổng P0 nhằm để tạo thành cổng đầu vào phải lập trình cách ghi tới tất bit P0  Cổng P1 • Cổng P1 chiếm tất chân (từ chân đến chân 8) sử dụng đầu vào đầu So với cổng P0 cổng không cần đến điện trở treo có điện trở kéo bên Trong trình Reset cổng P1 cấu cổng đầu • Cổng P1 đầu vào: Tương tự P0, để biến cổng P1 thành đầu vào phải lập trình cách ghi đến tất bit  Cổng P2 • Cổng P2 chiếm chân (các chân từ 21 đến 28) Nó sử dụng đầu vào đầu ra, giống cổng P1, cổng P2 không cần điện trở kéo có điện trở kéo bên Khi Reset, cổng P2 cấu cổng đầu • Cổng P2 đầu vào: Để tạo cổng P2 đầu vào phải lập trình cách ghi số tới tất chân  Cổng P3 ĐỒ ÁN I Cổng P3 chiếm tổng cộng chân từ chân 10 đến chân 17 Nó sử dụng đầu vào đầu Cống P3 không cần điện trở treo P1 P2 Mặc dù cổng P3 cấu cống đầu Reset, cách sử dụng phổ biến • Các bit P3.0 P3.1 cung cấp tín hiệu nhận phát liệu truyền thông liệu nối tiếp • Các bit P3.2 P3.3 dành cho ngắt • Bit P3.4 P3.5 dùng cho định thời • 2.4 Khối hiển thị: Sử dụng led số Anot chung: Hình 2.4: Sơ đồ ghép nối LED 2.5 Khối giao tiếp với máy tính: Sử dụng LabWindows/CVI 10 ĐỒ ÁN I LabWindows/CVI phần mền phát triển dựa môi trường C LabWindows/CVI cung cấp đầy đủ thư viện công cụ dùng cho việc hỗ trợ thu thập phân tích liệu Bạn biên dịch, debug, liên kết chương trình ANSI C môi trường phát triển LabWindows/CVI Các ứng dụng LabWindows/CVI bao gồm: giao tiếp với người sử dụng, thu thập liệu, phân tích liệu điều khiển chương trình Việc giao tiếp với người sử dụng thông qua đồ họa, đồ thị điều khiển khác Bạn tạo đồ họa hiển thị, menu, nút ấn… để hiển thị liệu yêu cầu Sau bạn yêu cầu liệu, bạn phải phân tích chúng để thực formatting, scaling, signal processing curve fitting Cuối cùng, chương trình điều khiển phối hợp chúng lại với Chương trình sử dụng bao gồm khối logic điều khiển quản lí chức hỗ trợ người sử dụng thực chương trình Để có thêm độ tin cậy tối ưu hóa hiệu lập trình code, bạn sử dụng NI LabWindows/CVI Execution Profiler Toolkit Bạn tận dụng lợi công nghệ FPGA cách sử dụng FPGAInterface C API LabWindows/CVI để tạo ứng dụng ANSI C giao tiếp với code FPGA chạy Với việc tích hợp phần cứng, người lập trình gắp thả chức driver API vào code mình, dễ dàng tạo ứng dụng cho điều chỉnh đo I/O phần cứng Ứng dụng cụ thể phần mền labWindows/CVI: cảnh báo hiển thị nhiệt độ kho lạnh, kho bảo quản thuốc sử dụng cảm biến nhiệt độ độ âm xác cao; giám sát lỗi hệ thống trong công nghiệp, đưa cảnh báo tức thời nhiệt độ, áp suất, nguồn lỗi, hệ thống lỗi, điện, có điện…; giám sát an ninh cho tủ điện, tủ điều khiển trời…Kết hợp với nguồn dự phòng nguồn lượng mặt trời tạo thành hệ thống khép kín độc lập với bên ngoài, tránh phá hoại vô hiệu hóa hệ thống an ninh Sơ đồ thiết kế chi tiết 3.1 Khối cảm biến chuyển đổi từ điện dung sang tần số 11 ĐỒ ÁN I Hình 3.1: Hình ảnh ghép nối cảm biến HS1101 với NE555 3.2 Khối hiển thị 12 ĐỒ ÁN I Hình 3.2: Hình ảnh sơ đồ ghép nối khối hiển thị 3.3 Sơ đồ toàn mạch Hình 3.3: Sơ đồ toàn mạch 3.4 Khối giao tiếp với máy tính 13 ĐỒ ÁN I Đặc tính kĩ thuật thiết bị đo 4.1 • • • • 4.2 • • Thời gian đo (tính từ lúc bắt đầu đo tới kết đo được) Thời gian cảm biến HS1101 đo: Không đáng kể Thời gian chuyển đổi NE555: Không đáng kể Thời gian 8051 xử lý tín hiệu: 20ms Thời gian LED hiển thị: Không đáng kể  Suy thời gian đo = thời gian 8051 thực = 20ms Sai số thiết bị đo Sai số cảm biến độ ẩm HS1101: 2%RH Sai số tần số đầu NE555: 5% Phương pháp đo: Sử dụng cảm biến HS1101 5.1 Lí chọn phương pháp Hiện có nhiều phương pháp đo độ ẩm môi trường phương pháp xác định độ ẩm biến trở, phương pháp xác định độ ẩm cảm biến độ ẩm, phương pháp xác định độ ẩm khúc xạ ánh sáng… Ở đây, nhóm em sử dụng phương pháp đo độ ẩm cảm biến độ ẩm Qua tìm hiểu, nhóm em biết thị trường có số loại cảm biến SHT75, SHT11, HS1101, DS18B20… với độ xác khác Cảm biến HST75 có độ xác 1.8%RH với giá thành 1050000đ, cảm biến HST11 có độ xác 3%RH với giá thành 280000đ, cảm biến HS1101 có độ xác 2%RH với giá thành 80000đ Do yêu cầu đồ án mạch đo độ ẩm có độ xác 5%RH điều kiện kinh tế nên nhóm em chọn cảm biến độ ẩm HS1101 HS1101 tụ điện biến dung theo độ ẩm, giá trị thay đổi độ ẩm thay đổi Hay nói cách khác, ứng với giá trị độ ẩm môi trường cảm biến xuất giá trị điện dung tương ứng Nhiệm vụ nhóm: làm cách để đo, xử lí giá trị điện dung hiển thị giá trị độ ẩm led Ta có cách để thực điều đó: Cách 1, biến đổi điện dung thành tần số dùng vi điều khiển để xử lí tần số Cách 2, biến đổi điện dung thành điện áp Do nhóm em học vi điều khiển 8051 nên nhóm em xin chọn phương án Cách thực Các linh kiện có mạch đô độ ẩm: cảm biến độ ẩm HS1101 dùng để đo độ ẩm, IC NE555 dùng để chuyển đổi điện 5.2 14 ĐỒ ÁN I dung thành tần số, vi điều khiển dùng để đo xử lí tần số, led dùng để hiển thị đồ ẩm linh kiện kèm điện trở, tụ điện, transistor, thạch anh…Trên thực tế, HS1101 thường kèm với mạch họ IC555 để xác định tần số Ở đây, nhóm em mong muốn dải tần số từ 6000Hz đến 7500Hz Dựa vào công thức mục 2.2, nhóm em tính (R2 + 2R4) nằm khoảng từ 1.1MegaOm đến 1.3MegaOm Qua tìm hiểu loại trở có Việt Nam, nhóm em chọn R4= 560k, R2= 56k Sau đo giá trị tần số, ta xử lí giá trị tần số vi điều khiển AT89C52 Chân timer nối với mạch NE555, timer chạy 20ms đồng thời giá trị ghi timer tăng theo, vi điều khiển xử lí liệu và led hiển thị độ ẩm Giá trị ghi 20ms nhân với tần số đầu mạch NE555 Ta có bảng liên hệ biến: độ ẩm môi trường, điện dung, tần số, biến đếm sau: Độ ẩm Tần số Biến đếm 7573 151 7554 151 7536 151 7519 150 7501 150 7484 150 7468 149 7451 149 7435 149 7419 148 10 7403 148 11 7387 148 12 7372 147 13 7357 147 14 7342 147 15 7327 147 16 7312 146 17 7298 146 18 7283 146 19 7269 145 20 7255 145 21 7242 145 22 7228 145 23 7214 144 Điện dung 162 162 163 163 164 164 164 165 165 165 166 166 166 167 167 167 168 168 168 169 169 169 170 170 Độ ẩm 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 Tần số 6925 6913 6901 6889 6876 6864 6852 6840 6827 6815 6802 6790 6777 6764 6752 6739 6726 6713 6700 6687 6674 6660 6647 6634 Biến đếm 139 139 139 138 138 138 137 137 137 136 136 136 136 135 135 135 135 134 134 134 133 133 133 133 Điện dung 177 177 178 178 178 179 179 179 180 180 180 181 181 181 182 182 182 183 183 183 184 184 185 185 15 ĐỒ ÁN I 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 III 7201 7188 7175 7162 7149 7136 7123 7110 7098 7085 7073 7060 7048 7035 7023 7011 6999 6986 6974 6962 6950 6938 144 144 144 143 143 143 142 142 142 142 141 141 141 141 140 140 140 140 139 139 139 139 170 171 171 171 172 172 172 173 173 173 173 174 174 174 175 175 175 176 176 176 177 177 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 6620 6606 6592 6578 6565 6550 6536 6522 6507 6492 6478 6463 6448 6432 6417 6402 6486 6470 6454 6438 5422 132 132 132 132 131 131 131 130 130 130 130 129 129 129 128 128 128 127 127 127 126 185 186 186 186 187 187 188 188 189 189 189 190 190 191 191 192 192 193 193 194 194 Thuật toán chương trình Sơ đồ thuật toán 1.1 Lưu đồ đo độ ẩm XỬ LÝ DPTR [...]... Phương pháp đo: Sử dụng cảm biến HS1101 5.1 Lí do chọn phương pháp này Hiện nay có rất nhiều phương pháp đo độ ẩm môi trường như phương pháp xác định độ ẩm bằng biến trở, phương pháp xác định độ ẩm bằng cảm biến độ ẩm, phương pháp xác định độ ẩm bằng khúc xạ ánh sáng… Ở đây, nhóm em sử dụng phương pháp đo độ ẩm bằng cảm biến độ ẩm Qua tìm hiểu, nhóm em được biết trên thị trường có 1 số loại cảm biến như... HS1101, DS18B20… với độ chính xác khác nhau Cảm biến HST75 có độ chính xác 1.8%RH với giá thành là 1050000đ, cảm biến HST11 có độ chính xác 3%RH với giá thành là 280000đ, cảm biến HS1101 có độ chính xác 2%RH với giá thành là 80000đ Do yêu cầu đồ án mạch đo độ ẩm có độ chính xác 5%RH và do điều kiện kinh tế nên nhóm em chọn cảm biến độ ẩm HS1101 HS1101 cơ bản là 1 tụ điện biến dung theo độ ẩm, giá trị của... thay đổi khi độ ẩm thay đổi Hay nói cách khác, ứng với mỗi giá trị độ ẩm môi trường thì cảm biến sẽ xuất ra 1 giá trị điện dung tương ứng Nhiệm vụ của nhóm: làm cách nào để đo, xử lí giá trị điện dung đó và hiển thị giá trị độ ẩm ra led 7 thanh Ta có 2 cách để thực hiện điều đó: Cách 1, biến đổi điện dung thành tần số và dùng vi điều khiển để xử lí tần số đó Cách 2, biến đổi điện dung thành điện áp Do... 8051 nên nhóm em xin chọn phương án 1 Cách thực hiện Các linh kiện có trong mạch đô độ ẩm: cảm biến độ ẩm HS1101 dùng để đo độ ẩm, IC NE555 dùng để chuyển đổi điện 5.2 14 ĐỒ ÁN I dung thành tần số, vi điều khiển dùng để đo và xử lí tần số, led 7 thanh dùng để hiển thị đồ ẩm và các linh kiện đi kèm như điện trở, tụ điện, transistor, thạch anh…Trên thực tế, HS1101 thường đi kèm với mạch họ IC555 để xác... tạo ra các ứng dụng cho điều chỉnh đo và I/O phần cứng Ứng dụng cụ thể của phần mền labWindows/CVI: cảnh báo và hiển thị nhiệt độ trong kho lạnh, kho bảo quản thuốc sử dụng cảm biến nhiệt độ và độ âm chính xác cao; giám sát các lỗi hệ thống trong trong công nghiệp, đưa ra các cảnh báo tức thời như nhiệt độ, áp suất, nguồn lỗi, hệ thống lỗi, mất điện, có điện ; giám sát an ninh cho các tủ điện, tủ điều... kĩ thuật của thiết bị đo 4.1 • • • • 4.2 • • Thời gian đo (tính từ lúc bắt đầu đo tới khi kết quả đo được) Thời gian cảm biến HS1101 đo: Không đáng kể Thời gian chuyển đổi trong NE555: Không đáng kể Thời gian 8051 xử lý tín hiệu: 20ms Thời gian LED 7 thanh hiển thị: Không đáng kể  Suy ra thời gian đo = thời gian 8051 thực hiện = 20ms Sai số của thiết bị đo Sai số của cảm biến độ ẩm HS1101: 2%RH Sai... nhau Chương trình sử dụng bao gồm các khối logic điều khiển về quản lí các chức năng hỗ trợ người sử dụng và thực hiện chương trình Để có thêm độ tin cậy và tối ưu hóa được hiệu quả lập trình code, bạn có thể sử dụng NI LabWindows/CVI Execution Profiler Toolkit Bạn cũng có thể tận dụng lợi thế của công nghệ FPGA bằng cách sử dụng FPGAInterface C API trong LabWindows/CVI để tạo ra một ứng dụng ANSI C giao... giữa các biến: độ ẩm môi trường, điện dung, tần số, biến đếm như sau: Độ ẩm Tần số Biến đếm 0 7573 151 1 7554 151 2 7536 151 3 7519 150 4 7501 150 5 7484 150 6 7468 149 7 7451 149 8 7435 149 9 7419 148 10 7403 148 11 7387 148 12 7372 147 13 7357 147 14 7342 147 15 7327 147 16 7312 146 17 7298 146 18 7283 146 19 7269 145 20 7255 145 21 7242 145 22 7228 145 23 7214 144 Điện dung 162 162 163 163 164 164 164... điểm: Mạch dễ thực hiện, mạch có chức năng kết nối máy tính hiển thị đồ thị độ ẩm thay đổi theo thời gian, có cảnh báo bằng còi khi độ ẩm vượt quá giá trị đặt trước Nhược điểm: Giá trị độ ẩm trên led 7 thanh bị nhấp nháy, chưa cách li giữa phần tương tự và phần số nên có thể bị nhiễu Hướng phát triển: Kết hợp thêm mạch đo nhiệt độ, đi sâu vào phần kết nối với máy tính V Tài liệu tham khảo: 1 2 Cấu trúc... trời…Kết hợp với các nguồn dự phòng hoặc nguồn năng lượng mặt trời tạo thành hệ thống khép kín và độc lập với bên ngoài, tránh được các phá hoại và vô hiệu hóa hệ thống an ninh 3 Sơ đồ thiết kế chi tiết 3.1 Khối cảm biến và chuyển đổi từ điện dung sang tần số 11 ĐỒ ÁN I Hình 3.1: Hình ảnh về ghép nối cảm biến HS1101 với NE555 3.2 Khối hiển thị 12 ĐỒ ÁN I Hình 3.2: Hình ảnh về sơ đồ ghép nối khối hiển